EP2097544B1

EP2097544B1 - Verfahren und vorrichtung zur wärmebehandlung von schweissnähten

Info

Publication number: EP2097544B1
Application number: EP07846709.9A
Authority: EP
Inventors: Lutz Kümmel; Holger Behrens; Christian Lengsdorf; Robert JÜRGENS
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2027-11-21
Also published as: BRPI0719040A8; MX2009005432A; KR20090074783A; KR101112015B1; JP2010510070A; CA2670142C; US20100072193A1; EG25306A; BRPI0719040B1; DE102007054876A1; WO2008061722A1; CA2670142A1; BRPI0719040B8; EP2097544A1; BRPI0719040A2; JP5089704B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur induktiven Wärmebehandlung von Schweißnähten in einer Schweißmaschine mit einem Laser-Schweißkopf zur Verbindung von Stahlbändern, wobei ein Erwärmungsprozess der Schweißnaht und der angrenzenden Schweißnahtbereiche vor und hinter der eigentlichen Schweißung mittels Linieninduktoren durchgeführt wird.
Bei der Schweißung und insbesondere beim Laserstrahlschweißen von Blechen wird eine sehr große Energiemenge konzentriert in einen sehr schmalen Bereich der Fügezone eingebracht. Da die an diesen stark erhitzten Bereich angrenzenden Blechbereiche Umgebungstemperatur haben, kommt es im Anschluss an das Verschweißen auf Grund des hohen Temperaturgefälles zu einer sehr schnellen Abkühlung. Hierdurch ergeben sich Gefügeveränderungen, die die mechanischen Eigenschaften in diesem Bereich erheblich verschlechtern können. Durch eine gezielte Wärmebehandlung dieses betroffenen Schweißnahtbereiches vor und hinter der eigentlichen Schweißung wird deshalb versucht, Einfluss auf die Abkühlung nach dem Schweißvorgang zu nehmen. Ziel der Vorerwärmung ist dabei die Rissvermeidung unmittelbar nach dem Schweißvorgang und die Erhöhung des Energieinhaltes des Nahtbereiches zur Reduzierung der Abkühlgeschwindigkeit. Die nach dem Schweißen stattfindende Nacherwärmung dient dann zur weiteren Reduzierung der Abkühlgeschwindigkeit.
Die Wärmebehandlung des Schweißnahtbereiches kann dabei durch eine thermische Erwärmung, beispielsweise mittels Gas- oder Plasmabrenner oder durch eine induktive Erwärmung durchgeführt werden. Die Wärmebehandlung der Schweißnaht erfolgt üblicherweise durch die einseitige Anordnung der Brenner bzw. der Induktoren an der Bandober- oder Unterseite. Daraus folgt eine verfahrensbedingte ungleichmäßige Temperaturverteilung und daraus folgend eine ungleichmäßige Wärmebehandlung über die Schweißnahthöhe. Bei kurzen Aufheizzeiten und hohen spezifischen Heizleistungen verstärkt sich diese Unsymmetrie dann weiter.
Für die aus den oben angeführten Gründen erforderliche Wärmebehandlung sind unterschiedliche Verfahren und auch Vorrichtungen bekannt. So ist aus der DE 10 2004 001 166 A1 ein Verfahren zum Laserschweißen mit Vor- und/oder Nachwärmung im Bereich der Schweißnaht bekannt, die mit dem Laserstrahl des Laser-Schweißkopfs durchgeführt wird, wobei dieser mit im Wesentlichen gleicher Leistung wie zum Schweißen erforderlich und mit gleicher Fokussierung aber erhöhter Vorschubgeschwindigkeit und ggf. mehrfach über den zu behandelnden Nahtbereich geführt wird. Eine Alternative zu diesem Verfahren besteht darin, dass der Laserstrahl mit erhöhter Defokussierung und ggf. auch langsamer über den zu behandelnden Nahtbereich geführt wird.
Die Technische Druckschrift "INDUCTION HEATING FOR EFFICIENT LASER APPLICATION", ADVANCED MATERIAL AND PROCESSES, AMERICAN SOCIETY FOR METALS, METALS PARK; OH; US; Bd. 157, Nr. 2000 April 2000 (2000-4), Seiten 39-41, XP-001119385 ISSN: 0882-7958; Anatoly Khersonsky, Houston Lee, beschreibt ein Verfahren zur mehrstufigen Vor- und Nacherwärmung von Schweißnähten.
In der EP 1 285 719 B1 wird eine Laserauftragsschweißung auf eine sich drehende Welle beschrieben, wobei zur stufenweisen Vorwärmung ein kreissegmentförmiger Induktor verwendet wird, dessen Segmente die an die Welle örtlich vor dem Laserstrahl-Bearbeitungskopf angelegt sind. Die Realisierung der beiden Vorwärmzyklen geschieht mit zwei verschiedenen, relativ zueinander und relativ zum Laserstrahl-Auftreffpunkt fest angeordneten Induktoren, wobei die Wärmeflussdichte des ersten Induktors kleiner und die Wärmeeinwirkzeit und die Wirkfläche des Induktors größer als die entsprechenden Werte des zweiten Induktors sind. Die Temperatursteigerung erfolgt demnach im ersten Vorwärmzyklus flacher als im zweiten Vorwärmzyklus. Beide Induktoren können mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden, sie können aber auch körperlich in einem Induktor vereinigt werden, wobei unterschiedliche induktive Feldkonzentrationen durch Magnetfeldverstärkungselemente, einen anderen Induktorquerschnitt oder einen engeren Windungsabstand erreicht werden. Bei besonders rissempfindlichen Werkstoffen kann auch ein induktiver Nachwärmzyklus angeschlossen werden, wobei der hier verwendete Induktor mit den beiden Induktoren der Vorwärmzyklen zu einem gemeinsamen Induktor vereinigt wird.
In der DE 101 52 685 A1 wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, mit der die Schweißnaht und die beiderseits der Schweißnaht angeordneten Wärmeeinflusszonen mit einem oder mehreren hintereinander entlang der Schweißnaht bei Offline-Betrieb fest angeordneten oder bei Online-Betrieb verfahrbaren Linieninduktoren eine lokale induktive Wärmebehandlung eines geschweißten Werkstücks durchgeführt werden kann. Innerhalb des Wirkungsbereichs der Linieninduktoren sind Abschirmelemente im Verhältnis zu den Linieninduktoren so angeordnet, dass sie einen Teil des von den Linieninduktoren im Betrieb beaufschlagten Werkstückbereichs von dem von den Linieninduktoren erzeugten Wechselmagnetfeld abschirmen.
Ausgehend von diesem geschilderten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Schweißnähten der vorstehend genannten Art so weiter auszubilden, dass die Gefahr einer Rissbildung oder Gefügeveränderung im Bereich der Schweißnaht bei der Schweißung von Stahlblechen weitgehend minimiert wird.
Die gestellte Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 verfahrensmäßig dadurch gelöst, dass die Erwärmung des Schweißnahtbereiches mittels eines definiert einstellbaren mehrfach gestuften Linieninduktors mit Zonen unterschiedlicher Leistungsdichten erfolgt, der mit einer mehrfachen Aufteilung seiner Leiterschleifenlängen und/oder mit einer unterschiedlichen Beblechung der Leiterschleifen und/oder mit mehreren unterschiedlichen Abstandsstufen zum Stahlband ausgebildet ist. Die mehrstufige Erwärmung wird erfindungsgemäß durch eine Aufteilung der gesamten für die Erwärmung aufzubringenden Heizleistungsdichte auf die einzelnen Erwärmungsstufen durchgeführt, wobei in der ersten Erwärmungsstufe ein steilerer Temperaturanstieg als in der folgenden Erwärmungsstufe stattfindet.
Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist durch die Merkmale des Anspruchs 4 gekennzeichnet.
So kann beispielsweise bei einer zweistufigen Erwärmung die Leistungsaufteilung zwischen der ersten und der zweiten Erwärmungsstufe im Verhältnis 3 : 1 durchgeführt werden. Das Ergebnis einer derartigen Leistungsaufteilung ist ein langsamerer Temperaturanstieg in der zweiten gegenüber der ersten Erwärmungsstufe. Hierdurch wird nicht nur ein kleinerer Temperaturgradient zwischen der Bandoberseite und der Bandunterseite gegenüber einer einstufigen Erwärmungsstufe erzielt, sondern auch die Gefahr einer Gefügeüberhitzung bei Annäherung an die gewünschte Endtemperatur minimiert. Mit Vorteil kann bei der mehrstufigen Erwärmung zwischen einzelnen Erwärmungsstufen auch eine Haltezeit bei einer speziell angepassten Temperatur, die durch Temperaturmessung ermittelt wird, mit anschließender Kühlung des vorher aufgewärmten Schweißnahtbereiches eingestellt werden, an die dann eine Wiedererwärmung anschließt. Zur Erzeugung dieser Ausgleichszonen zwischen einzelnen Erwärmungszonen können beispielsweise einzelne Leiterschleifen unterbrochen werden.
Die Linieninduktoren für die Vor- und Nacherwärmung sind erfindungsgemäß wahlweise einzeln oder zusammen ansteuerbar ausgebildet, wobei ohne starre Kopplung Laser-Schweißkopf und Linieninduktoren beispielsweise auf getrennten Wagen bewegbar sind.
Die durchzuführende mehrstufige Erwärmung des dem Laser-Schweißkopf nachlaufenden Schweißnahtbereiches ist weitgehend vom Gefüge des Stahlbandes abhängig. Der Laser-Schweißkopf wird deshalb mit einem den Prozessanforderungen angepassten und durch z. B. Temperaturmessung ermittelten optimalen Abstand vom Laser-Schweißkopf angeordnet. Erfindungsgemäß ist aber auch eine vom Laser-Schweißkopf gesteuerte unabhängige Bewegung des Linieninduktors möglich, um beispielsweise örtliche Überhitzungen in den Schweißnahtbereichen zu vermeiden, wozu beispielsweise der Abstand zum Laser-Schweißkopf oszillierend verändert wird.
Die mehrstufige Erwärmung des vorlaufenden Schweißnahtbereiches, die mittels eines vor dem Laserschweißkopf angeordneten gestuften Linieninduktors durchgeführt wird, kann wegen der direkt nachfolgenden Erhitzung durch den Laser-Schweißkopf mit dessen Geschwindigkeit erfolgen, weshalb es beispielsweise dann möglich und gegebenenfalls auch sinnvoll ist, diesen Linieninduktor dem Laser-Schweißkopf fest zuzuordnen bzw. ihn direkt an den Laser-Schweißkopf anzukoppeln. Es ist aber auch hier möglich, falls dies zur Prozessanpassung gefordert wird, den Linieninduktor mit oszillierender Abstandsänderung vor den Laser-Schweißkopf anzuordnen.
Die mit den mehrstufig ausgebildeten Linieninduktoren erreichbaren Vorteile sind somit zusammengefasst:

Aufteilung der Leistungsdichte und damit Steuerung und Reduzierung einer Überhitzungsgefahr am Ende der Erwärmungszone,
ein fester Aufbau ohne veränderbare Leiterlängen,
die Schleifenaufteilung in unmittelbarer Wirknähe zum Stahlband,
eine kompakte Bauform.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an in schematischen Zeichnungsfiguren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1: eine Einrichtung zur Wärmebehandlung der Schweißnaht,
Fig. 2: einen einstufigen Linieninduktor nach dem Stand der Technik,
Fig. 3: ein Temperatur-Zeit-Diagramm bei einstufiger Erwärmung,
Fig. 4: die Stromaufteilung eines zweistufigen Linieninduktors,
Fig. 5: einen zweistufigen Linieninduktor mit der Stromaufteilung der Fig. 4,
Fig. 6: ein Temperatur-Zeit-Diagramm bei zweistufiger Erwärmung,
Fig. 7: ein Temperatur-Zeit-Diagramm einer zweistufigen Nacherwärmung mit Wiedererwärmung.

In der Figur 1 ist eine Einrichtung zum Schweißen und zur Wärmebehandlung der Schweißnaht 1 (vgl. Fig. 4) in einem Stahlband 2 schematisch dargestellt. Sie besteht aus einem Laser-Schweißkopf 3 und einem davor angeordneten Linieninduktor 4 und einem dahinter angeordneten Linieninduktor 5. Der Laser-Schweißkopf 3 und die beiden Linieninduktoren 4, 5 werden in diesem Ausführungsbeispiel zum Schweißvorgang und zur Wärmebehandlung in Bewegungs- bzw. Schweißrichtung 9 bewegt, während das Stahlband 2 fest eingespannt ist. Die hier dargestellte Ausführung ist auch für verschiebbare Bleche bei einer feststehenden Anordnung der Linieninduktoren 4, 5 und des LaserSchweißkopfes 3 verwendbar. Der dem Laser-Schweißkopf 3 vorlaufende Linieninduktor 4 wärmt das Stahlband 2 in einem der Länge des Linieninduktor 4 entsprechenden vorlaufenden Schweißnahtbereich 6 auf und in gleicher Weise wird der dem Laser-Schweißkopf 3 folgende (nachlaufende) Schweißnahtbereich 7 von dem hinter dem Laser-Schweißkopf 3 angeordneten nachlaufenden Linieninduktor 5 nacherwärmt.
Die zur Wärmebehandlung eingesetzten Linieninduktoren sind nach dem Stand der Technik üblicherweise einstufig ausgebildet. Ein mit einem derartigen, in der Figur 2 beispielhaft abgebildeten Linieninduktor 8 mit nur einer Leiterschleife mit durchgehender Stufenlänge L durchgeführter einstufiger Erwärmungsprozess ergibt das in der Figur 3 abgebildete prinzipielle Temperatur-Zeit-Diagramm. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, besteht zwischen der Temperatur T_o der Bandoberseite und der Temperatur T_u der Bandunterseite ein größerer Temperaturunterschied mit einem Maximum am Ende der Aufheizzeit t_ges, da die Temperaturdifferenz direkt proportional zur Heizleistungsdichte q des Linieninduktors und der Erwärmungszeit t ist. Die Abweichungen zur angestrebten Prozesstemperatur T_m nach Ende der Aufheizzone 15 und vor Beginn der Abkühlzone 17 ist teilweise zu groß, weshalb die Gefahr einer Überhitzung des Gefüges besteht.
In der Figur 4 ist ein zweistufiger Linieninduktor mit zwei unterschiedlich lang ausgebildeten Stufenlängen L₁ und L₂ dargestellt. Da die Erwärmung auf die ange-strebte Prozesstemperatur T_m beim zweistufigen Linieninduktor 10 (vgl. Fig. 5) die gleiche Energieeinbringung Q • t_ges = q_h1 • t₁ + q_h2 • t₂ wie beim einstufigen Linieninduktor 8 erfordert (mit q_h1 • t₁ für die erste Erwärmungsstufe und q_h2 • t₂ für die zweite Erwärmungsstufe) und die Stromaufteilung I_ges auf die Teilströme I₁ und I₂ umgekehrt proportional zur den beiden Stufenlängen L₁ und L₂ ist, kann mit entsprechender Wahl den Stufenlängen die Energieeinbringung auf einzelne Erwärmungsstufen gesteuert werden.
Die hieraus folgende beispielhafte Stromaufteilung auf die unterschiedlich langen Stufenlängen L₁ und L₂ des zweistufigen Linieninduktors 10 ist in der Figur 5 eingezeichnet. Die kürzere Stufe L₁ mit einer gegenüber der längeren Stufe L₂ höheren Leistungsdichte I₁ befindet sich in Schweißrichtung 9 vorne, d. h. der zu behandelnde Schweißnahtbereich wird zunächst mit einer höheren Leistungsdichte beaufschlagt. Aus den Fig. 4 und 5 ist weiter erkennbar, in welcher Weise die Stromaufteilung bei einem zweistufigen Linieninduktor 10 durch spezielle Anordnung und Stromzuführung der beiden Leiterschleifen mit ihren unterschiedlich langen Stufenlängen L₁ und L₂ realisiert werden kann.
Das Ergebnis eines mit einem derartigen Linieninduktor 10 durchgeführten zweistufigen Erwärmungsprozesses ergibt nun das in der Figur 6 abgebildete prinzipielle Temperatur-Zeit-Diagramm. Der steile Temperaturanstieg in der ersten Erwärmungsstufe 15 führt zwar gleichfalls zu starken Temperaturdifferenzen zwischen den Bandtemperaturen T_o und T_u bis zum Ende der ersten Erwärmungsstufe bei t₁, anschließend findet dann in der zweiten Erwärmungsstufe 16 über den Zeitraum t₂ aber ein Temperaturausgleich statt, so dass nach Ablauf dieser zweiten Wärmebehandlung bei t_ges die Temperaturabweichungen vom angestrebten Mittelwert der Bandtemperatur T_m gegenüber der einstufigen Erwärmung deutlich geringer ausfallen.
Das reale Ergebnis einer zweistufigen Nacherwärmung mit einer Wiedererwärmung ist in der Figur 7 dargestellt. Der Verlauf der Temperaturkurve beginnt in dem hier gezeigten Temperatur-Zeit-Diagramm mit dem unmittelbaren Schweißbereich 20 bei t = 0 mit anschließender steil verlaufender Abkühlung 17. Bei einer vorherbestimmten Temperatur, hier etwa bei 320 °C, beginnt mit steilem Temperaturanstieg die erste Erwärmungsstufe 15 der Wiedererwärmung mit einer Dauer von etwa 1,7 Sekunden bis zu einer Temperatur von etwa 520 °C. Unmittelbar darauf folgt die zweite Erwärmungsstufe 16 mit nun flacherem Temperaturanstieg bis zu einer Gesamterwärmungszeit etwa 3,3 Sekunden und einer Endtemperatur ca. 620 °C. Danach folgt eine endgültige Abkühlung mit durch die Wiedererwärmung flachen Abkühlkurve 17'. Es gibt allerdings Fälle, in denen die Zone 16 eine reine Haltezone oder sogar eine Zone mit verzögerter Abkühlung ist. Bei einer verzögerten Abkühlung reicht die in das System eingespeiste Energie nicht aus, um die Wärmeabgabe an die Umgebung auszugleichen.

Bezugszeichenliste

1: Schweißnaht
2: Stahlband
3: Laser-Schweißkopf
4: Linieninduktor für Vorerwärmung
5: Linieninduktor für Nacherwärmung
6: vorlaufender Schweißnahtbereich
7: nachlaufender Schweißnahtbereich
8: einstufiger Linieninduktor
9: Schweißrichtung, Bewegungsrichtung
10: zweistufiger Linieninduktor
15, 16: Aufheizzone
17, 17': Abkühlzone
20: unmittelbarer Schweißbereich

L: Länge der Schleife
L₁, L₂: Stufenlänge des Linienleiters
I₁, I₂: Stromstärke
T: Bandtemperatur
T_o: Temperatur der Bandoberseite
T_u: Temperatur der Bandunterseite
T_m: mittlere Bandtemperatur
t: Zeit
t₁: Ende der ersten Erwärmungsstufe
t₂: Ende der zweiten Erwärmungsstufe
t_ges: Gesamtaufheizzeit

Claims

Verfahren zur induktiven Wärmebehandlung von Schweißnähten in einer Schweißmaschine mit einem Laser-Schweißkopf (3) zur Verbindung von Stahlbändern (2),
wobei ein Erwärmungsprozess der Schweißnaht (1) und der angrenzenden Schweißnahtbereiche (6, 7) vor und hinter der eigentlichen Schweißung mittels Linieninduktoren (4, 5) durchgeführt wird,
wobei die Erwärmung des Schweißnahtbereiches (6, 7) mittels eines definiert einstellbaren mehrfach gestuften Linieninduktors (4, 5) mit Zonen unterschiedlicher Leistungsdichten erfolgt, der mit einer mehrfachen Aufteilung seiner Leiterschleifenlängen und/oder mit einer unterschiedlichen Beblechung der Leiterschleifen und/oder mit mehreren unterschiedlichen Abstandsstufen zum Stahlband (2) ausgebildet ist.
dadurch gekennzeichnet,
dass die Aufteilung der gesamten für die Erwärmung aufzubringenden Heizleistungsdichte q_H auf die einzelnen Erwärmungsstufen (t₁, t₂) so durchgeführt wird, dass in der ersten Erwärmungsstufe (t₁) ein steilerer Temperaturanstieg als in der folgenden Erwärmungsstufe (t₂) stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaufteilung bei einer zweistufigen Erwärmung zwischen der ersten (t₁) und der zweiten Erwärmungsstufe (t₂) im Verhältnis 3:1 durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einzelnen Erwärmungsstufen (t₁, t₂) eine Haltezeit bei einer durch Temperaturmessung speziell angepassten Temperatur mit anschließender Kühlung des vorher aufgewärmten Schweißnahtbereiches (7) vorgesehen ist, an die dann eine Wiedererwärmung anschließt.
Vorrichtung zur induktiven Wärmebehandlung von Schweißnähten in einer Schweißmaschine mit einem Laser-Schweißkopf (3) zur Verbindung von Stahlbändern (2),
zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, aufweisend:
einen für die Vor- und Nacherwärmung einsetzbaren mehrstufigen Linieninduktor (4, 5) mit unterschiedlicher Leistungsdichte über seine Länge, wobei die Aufteilung der Leistungsdichte

mehrere Leiterschleifen und stufenweiser Veränderung der Teilleiterlängen und/oder

eine unterschiedliche Beblechung der Leiterschleife(n) über seine Länge, wobei auch innerhalb einer Leiterschleife eine unterschiedliche Leistungsdichte erreichbar ist und/oder

durch unterschiedliche stufenweise Einkoppelabstände zwischen dem Linieninduktor (4, 5) und dem Stahlband (2), durch die gleichfalls innerhalb einer Leiterschleife eine unterschiedliche Leistungsdichte hergestellt ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

der mehrstufige Linieninduktor ausgebildet ist, die für die Erwärmung aufzubringende Heizleistungsdichte q_H auf die einzelnen Erwärmungsstufen (t1, t2) so aufzuteilen, dass in der ersten Erwärmungsstufe (t1) ein steilerer Temperaturanstieg als in der folgenden Erwärmungsstufe (t2) stattfindet.
Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass einzelne Leiterschleifen zur Erzeugung von Ausgleichszonen zwischen einzelnen Erwärmungszonen unterbrochen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Linieninduktoren (4, 5) für die Vor- und Nacherwärmung wahlweise einzeln oder zusammen ansteuerbar ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Linieninduktor (4) vor und ein Linieninduktor (5) hinter dem Laser-Schweißkopf (3) mit variablem Abstand angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Linieninduktor (4) mit dem Laser-Schweißkopf (3) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlblech fest eingespannt und der Laser-Schweißkopf (3) und die Linieninduktoren (4, 5) verschiebbar sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlblech verschiebbar ist und zumindest der Laser-Schweißkopf (3) ortsfest angeordnet ist.